陶亞萍，吳艷麗

（1黃河交通學(xué)院 交通工程學(xué)院，河南焦作 454950；2交通與環(huán)境巖土工程研究所，河南焦作 454950）

0 引言

近幾年隨著土建、礦山等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，土壓力的測(cè)量變得尤為重要。土方填筑過(guò)程當(dāng)中所得到實(shí)際土壓力與理論土壓力有較大的出入，高填方路堤失穩(wěn)容易產(chǎn)生滑坡，不僅會(huì)增加工程造價(jià)，同時(shí)還可能威脅到人民群眾生產(chǎn)財(cái)產(chǎn)。從工程實(shí)例看，土壓力傳感器的測(cè)試誤差較多是受溫度、季節(jié)、土壓力盒的幾何特征等因素的影響，所以測(cè)量土壓力傳感器的實(shí)際誤差與理論誤差就顯得尤為重要[1-3]。目前，由于在理論上和數(shù)值計(jì)算方法還不夠完善，試驗(yàn)受多種因素的影響，導(dǎo)致理論計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值存在很大出入，僅從理論上來(lái)看，二者并不能嚴(yán)格地說(shuō)哪一個(gè)更接近真實(shí)的土壓力值，因此有必要對(duì)土壓力測(cè)試進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

張勝利[4]分析土壓力傳感器和土介質(zhì)之間的相互關(guān)系，對(duì)量測(cè)土體壓力所產(chǎn)生的匹配誤差進(jìn)行了有限元計(jì)算和室內(nèi)試驗(yàn)研究。陳春紅[5]通過(guò)一系列的室內(nèi)模擬標(biāo)定試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)土壓力傳感器在室內(nèi)試驗(yàn)所得的標(biāo)定系數(shù)與生產(chǎn)廠家給定的標(biāo)定系數(shù)存在很大的誤差。基于電阻應(yīng)變式土壓力傳感器進(jìn)行室內(nèi)標(biāo)定試驗(yàn)，并與廠家給出的油標(biāo)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)油標(biāo)法與砂標(biāo)法存在一定的誤差[6-7]。

為研究土壓力盒的實(shí)際測(cè)量值與理論計(jì)算值之間關(guān)系，以大連市某高填方邊坡工程為例，采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)的方法對(duì)其進(jìn)行研究，為該類工程的模擬試驗(yàn)提供借鑒。

1 工程概況

本文依托大連市某高填方邊坡工程進(jìn)行土壓力測(cè)試誤差分析研究。該工程處于沿海地帶，總長(zhǎng)度為180m，地貌特征屬于低山丘陵區(qū)，地形總體走向是南高北低、西高東低，如圖1所示。如若建成將導(dǎo)致居民建筑的品位下降。

圖1 工程現(xiàn)場(chǎng)圖

為了提高工程的品位以及滿足居民的采光和觀賞等條件，需要改變工程所處的地勢(shì)，即走勢(shì)改變成西北高東南低。那么就需要對(duì)工程進(jìn)行回填，在回填之前應(yīng)先清除坡面植被、坡積物、全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化層至中風(fēng)化巖體?；靥畈捎眉?jí)配良好且粒徑不大于150mm的開山石，并分層壓實(shí)?；靥钪蟮穆访嫒鐖D2所示。為了了解和測(cè)量這塊回填土的土壓力分布情況，在土體中埋入土壓力盒測(cè)量土體壓力，故進(jìn)行了本次室內(nèi)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證工程中所測(cè)得的壓力分布情況。

圖2 工程剖面圖

2 試驗(yàn)介紹

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)目前應(yīng)用較廣的電阻應(yīng)變式土壓力傳感器進(jìn)行誤差分析，采用配重砝碼直接堆載的方式進(jìn)行了土壓力傳感器與介質(zhì)相互作用的室內(nèi)模擬試驗(yàn)，研究土壓力盒誤差的特點(diǎn)及其規(guī)律，以及產(chǎn)生這種誤差的原因。

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

電阻式傳感器是將非電量的變化量，轉(zhuǎn)化成與之有一定關(guān)系的電阻值的變化量，通過(guò)對(duì)電阻值的測(cè)量達(dá)到非電量測(cè)量的目的。

該型傳感器是單膜片電阻應(yīng)變式傳感器，由于傳感器與介質(zhì)相互作用主要是通過(guò)上部荷載產(chǎn)生，內(nèi)部的感應(yīng)元件不與介質(zhì)直接發(fā)生作用，感應(yīng)板主要是在壓力作用下產(chǎn)生相應(yīng)的變形得到輸出測(cè)量值。根據(jù)要求先找到所要測(cè)試的方向，使壓力傳感器受力面（光面）與受力方向垂直安裝好。

采用TST3826靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)，讀取在不同荷載作用下的傳感器輸出值。試驗(yàn)采用位移計(jì)，通過(guò)位移計(jì)讀出每級(jí)荷載作用下的介質(zhì)壓縮量。試驗(yàn)采用直徑為219mm，高度為250mm的鋼管，1套配重砝碼。試驗(yàn)所用的百分表為北京天銳達(dá)工貿(mào)有限公司所產(chǎn)，型號(hào)為MFX系列。外形尺寸，主要目的是用來(lái)測(cè)量被測(cè)介質(zhì)的壓縮量。試驗(yàn)中采用的設(shè)備見圖3。

2.2 試驗(yàn)技術(shù)路線

針對(duì)本文所要研究的內(nèi)容，采用的技術(shù)路線如圖4所示。

3 試驗(yàn)誤差因素分析

3.1 厚徑比對(duì)誤差影響分析

圖3 試驗(yàn)加載設(shè)備圖

圖4 總體技術(shù)路線

試驗(yàn)過(guò)程中，將室內(nèi)模擬裝置劃分成兩個(gè)區(qū)域，即傳感器所在的中間區(qū)域和其余砂介質(zhì)部分。室內(nèi)模擬試驗(yàn)裝置的總高度為H，傳感器的厚度用h表示。試驗(yàn)時(shí)，在上部施加一個(gè)集中荷載，模擬材料被壓縮密實(shí)，所得的壓縮量用△H，此時(shí)得到的傳感器所在區(qū)域的應(yīng)變值ε1=△H/(H-h)，其余砂介質(zhì)區(qū)域的應(yīng)變值ε2=△H/H。 若E1=E2，則σ1>σ2。

由此可以看出，土壓力盒所測(cè)得的應(yīng)力值與傳感器的幾何特征有關(guān)，即厚度越小，所測(cè)得的實(shí)際誤差與理論計(jì)算誤差越小。

3.2 彈性模量和內(nèi)摩擦角對(duì)誤差影響分析

由于室內(nèi)模擬材料為非彈性體，其彈性膜量并非定值，從而導(dǎo)致土壓力盒的剛度與室內(nèi)模擬材料的剛度很難達(dá)到一致，那么在施加荷載的情況下容易產(chǎn)生拱效應(yīng)，即傳感器所測(cè)得的應(yīng)力與原始應(yīng)力相差較大，如圖5所示。

砂類土的內(nèi)摩擦角是由多方面原因引起的，如顆粒間的滑動(dòng)作用、咬合狀態(tài)及其破壞；顆粒形狀、粒徑級(jí)配及礦物成分；顆粒之間的重新排列作用等。內(nèi)摩擦角作為砂介質(zhì)的一個(gè)重要物理指標(biāo)，試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)機(jī)制砂進(jìn)行了直接剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)盒分為上、下盒兩部分，土樣夾在上、下兩塊透水石之間，上盒和下盒的界面處在2cm厚土樣高度的中間，即固定的剪切破壞面。施加豎向壓力之后，在儀器的一端施加直接的剪力，如果土樣的抗剪強(qiáng)度為零，則施加很小的力之后會(huì)沿著上下盒間的界面錯(cuò)開，達(dá)到很大的錯(cuò)位變形；如果土樣的抗剪強(qiáng)度是無(wú)窮大，則施加很大力后上下盒也會(huì)一起動(dòng)，共同位移，土樣受剪，此時(shí)只能迫使鋼環(huán)儀發(fā)生徑向變形，由鋼環(huán)常數(shù)和鋼環(huán)的徑向變形計(jì)算出土樣的抗剪強(qiáng)度。

圖5 拱效應(yīng)

圖6 直接剪切試驗(yàn)

圖7 玻璃箱

圖8 施加荷載后玻璃箱

實(shí)際上，土的抗剪強(qiáng)度既不是零，也不是無(wú)窮大，而是有限值，所以在施加直剪力后，既有上下盒之間的錯(cuò)動(dòng)，又有上下盒的共同變形，可由此算得出土樣的抗剪強(qiáng)度。在不斷施加直剪力過(guò)程中，上下盒之間的錯(cuò)位和鋼環(huán)儀的徑向變形不斷增加，當(dāng)達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，如果繼續(xù)施加作用力，鋼環(huán)儀表指針會(huì)出現(xiàn)倒退現(xiàn)象，即破壞開始。試驗(yàn)儀器見圖6。

運(yùn)用公式τi=Cδ計(jì)算抗剪強(qiáng)度。C為測(cè)微表讀數(shù)（單位：0.01mm），δ取1.861kPa/0.01mm。 分別在施加50kPa、100kPa、200kPa、300kPa垂直應(yīng)力下進(jìn)行試驗(yàn)。 利用τi=σitanφ可以解出φ值。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 四種不同粒徑河砂內(nèi)摩擦角讀數(shù)

3.3 誤差影響因素論證

為論證土壓力盒測(cè)試誤差的影響因素，采用透明的玻璃箱觀測(cè)每層土體的變化，用一段與玻璃箱寬度一樣尺寸的長(zhǎng)方體木條來(lái)模擬土壓力盒，玻璃箱的底部放置10cm厚的密實(shí)土體，然后開始填筑試驗(yàn)?zāi)M材料，每填筑5cm厚的試驗(yàn)材料加一層石灰，如圖7所示。將木塊放置在玻璃箱的中間，在木塊上覆土，直到填滿整個(gè)玻璃箱。之后每隔30min施加一次荷載，觀察玻璃箱內(nèi)木塊附近土體的變化，如圖8所示。從圖8可以看出，由于木塊的剛度與周圍介質(zhì)剛度不同，木塊周圍的土體出現(xiàn)類似于拱形的變形。

4 結(jié)論

本文采用電阻應(yīng)變式傳感器，通過(guò)直接堆載的方式進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)，探討了影響土壓力傳感器的實(shí)測(cè)誤差與理論計(jì)算誤差的因素，并對(duì)影響因素進(jìn)行論證。

土壓力傳感器的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的誤差與其傳感器的厚度有關(guān)，厚度越薄其測(cè)試誤差就越小。由于傳感器的剛度與室內(nèi)模擬材料的剛度差異較大，使得應(yīng)力分布不均勻而產(chǎn)生拱效應(yīng)。采用木塊模擬土壓力盒，通過(guò)玻璃箱來(lái)觀測(cè)木塊周圍土體的變化，所得結(jié)論與理論分析一致。